基于UG-MoldWizard平台的注塑模KBE系统

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基于UG-MoldWizard平台的注塑模KBE系统
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模具的设计是产品迅速投入市场的关键，KBE系统的实现可以大大优化模具设计工艺，缩短模具开发周期。本文以摩托车塑件产品为基础，深入讨论了KBE的内涵和特点，以UG-MoldWizard为开发平台，构造出注塑模设计KBE系统构架，利用OPEN++程序和知识融合技术，开发出内嵌于UG-MoldWizard平台的摩托车塑件产品KBE系统。

21世纪制造业的竞争是新产品的竞争，创新产品的开发是竞争的关键，而模具的设计又是新产品迅速投入市场的关键。摩托车新车型推出迅速，其中塑料件注射模具的设计开发对新车的问世起着至关重要的作用。
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模具的设计过程是建立在专家丰富的经验和知识基础上的创造性思维过程，它不仅是参考经验知识的辅助设计，更是在现有经验基础上的进一步积累创新，是一个包含了对知识的继承、集成、创新和管理的过程。然而，由于模具设计过程的复杂性，绝大多数模具设计专家系统在应用上有严格的限制，且智能化手段也比较单一，普遍存在诸如产品信息模型简单、知识表示方式单一、图形处理能力不强、无法与有限元仿真结果有机结合等诸多问题。

KBE（Knowledge Based Engineering，基于知识工程）技术是解决这一问题的最佳方案。KBE系统为解决传统CAD系统存在的问题提出了方案，如设计原理的体现、约束是否冲突、如何在设计阶段进行产品估价、设计制造是否可行以及设计的最终产品是否符合外观要求等，同时提供优化方案。KBE系统所要达到的目的是使产品信息在整个生命周期中都可得到应用，从而获得最优化方案。

一、KBE的含义和特点

1.KBE的概念

( h1 d9 p, W1 D' {由于KBE技术的开放性，至今为止，尚无一种公认的、完备的KBE定义。如英国Coventry大学的KBE中心认为：KBE是一种存储并处理与知识模型有关的知识，并基于产品模型的计算机系统；是目前促进工程化、实用化产品开发的最值得注意的软件方法。英国Cranfield大学的Huihua Li博士认为：KBE是一种特殊类型的基于知识的系统，它专注于工程设计以及后续的制造、销售等活动。世界著名系统集成公司美国UG公司认为：KBE是获取智能对象或人造物（如零件）的生命周期内实质的方法学，包括操作性、功能性和性能的要求，以及获取它的进一步变化。而上海交通大学模具CAD国家工程研究中心则提出：KBE是通过知识驱动和繁衍，对工程问题和任务提供最佳解决方案的计算机集成处理技术。
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& X9 e7 B1 g  F/ ~" A' j综上所述，KBE的内涵可以概括为：KBE是领域专家知识的继承、集成、创新和管理，是CAX技术与AI技术的集成。下面将可以通过对KBE的特点进一步阐述KBE的含义。
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2. KBE技术的特点

(1)知识性
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' T' Z  }/ f( \6 F从定义来看，KBE是基于知识的工程，所以需要以知识为基础，而系统为设计者提高设计所需各种知识。
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# d+ O, p! S# H7 U/ k知识的最初来源有：①理论公式，行业的经典理论和公式是前人经验和实践的积累，是知识的重要的组成部分；②工程数据，生产实践所获取得来的数据是长期实践的结果，是被证明了的理论，能够成为新产品模具设计的重要依据；③成功案例，成功的案例可以为相似产品的模具设计提供设计思路的参考，比如，相似形状的产品可以选用同一类型的浇注口，相似尺寸的产品其模架和模腔可以选用相似尺寸，或对各个特征变量进行推理求解。

从逻辑基础上看，常用的推理方式可分为：演绎推理，归纳推理，外展推理，非单调推理和不精确推理。目前应用于模具设计的KBE系统主要有：①基于规则的推理；②基于实例的推理（CBR）；③基于模型推理（MBR）；④神经网络；⑤ 遗传算法。

(2)领域性
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KBE是以知识为基础的，它的起点是专家系统，所以KBE是局限于一个具体领域的，不存在所谓的广泛意义上的通用KBE，这样才便于知识的提取。摩托车塑料产品在某种程度上是相似的，但摩托车塑件产品与其他比如生活用品脸盆的模具就没有基本的相似特征。
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(3)智能性
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KBE不同于专家系统，它可以在人工干预下完成设计和数据计算，自动提取相关知识，并且具有独立于人之外的判断和推理能力。KBE还具有学习能力，随着系统的使用，KBE会将新的成功案例加入到知识系统去，随着用户对软件的应用，系统会变得越来越聪明，推理和计算更准确。
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要使KBE系统成为工程过程的中心，就必须使之适用于产品模具各个阶段的相关设计原则。要想从设计分析到制造都有效地利用KBE系统，就要求KBE系统具有柔性、开放性、可重用性并可用户化。

(4)多目标优化
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对KBE系统来说，最终获得的是多个设计变量，它会考虑与设计有关的各个因素，并根据需要进行权重，进行多目标优化，使设计方案在总体目标上处于最优。神经网络技术和遗传算法在模具KBE上的应用，使模具设计的多目标优化得以顺利实施，最终获得合理的最优设计工艺。
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8 @1 o2 }4 q: w3 f' v+ E( @二、 KBE在UG-MoldWizard平台上的应用
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+ {' h# B5 Y: i2 c, a$ dUGS提供的知识驱动自动化模糊了设计、工程、几何建模与编程之间的界限，为KBE系统的融合开发出一套简单的知识解决方案。利用UG-MoldWizard可以将设计独特的知识融入系统，而过程向导则使领域内的用户能够充分利用行业内的专家经验。以往要解决的知识重用和过程标准化问题不再需要专业的编程人员耗费大量的资金和时间来解决，只需利用知识融合的方法，就可以尽可能地实现自动化。

1.UG-MoldWizard模具模块与设计流程图

UG-MoldWizard是专业的注射模具模块，为设计模具的型芯、型腔、滑块、推杆、和嵌件提供了建模工具，使模具设计变得更快捷和容易，它的最终结果能够建立出与产品参数相关的三维模具，并能用于加工。UG-MoldWizard的模架库及其标准件库包含有参数化的模架装配结构和模具标准件，模具标准件库中还包括滑块（Slides）和内抽芯（Lifters），并可通过Standard Parts功能用参数控制所选用的标准件在模具中的位置。用户还可以根据自己的需要定义和扩展UG-MoldWizard库。UG-MoldWizard的设计流程图如图1所示。

6 Q6 l: y7 T$ b( c图1 UG-MoldWizard的设计流程图
8 Z5 i1 a% c3 ~; {! A0 E% V2.KBE设计框架

' r) i( o$ w  w, c. ^( SKBE系统能够根据已有成功模具设计方案和工程数据库，利用实例和神经网络等进行综合推理，获取设计所需知识，并在工艺CAE软件上对成型工艺进行验证和优化，并将最终设计方案返回到成功案例中，系统框架如图2所示。

5 A0 q: i- v0 i" Q图2 摩托车塑件产品KBE系统框架
. Q; n7 z% a+ G/ V. @9 [. c* r3.系统实现和设计实例
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+ X6 u7 p/ w' G6 n- b! b4 ?) W, m! \利用OPEN++和UG知识快速融合技术，将KBE内嵌到UG-MoldWizard平台上，使设计者可以在UG-MoldWizard中直接进行设计，KBE系统在设计者干预下能够直接或间接操作UGS软件进行塑料注射模具的数字化设计工作，其中KBE系统的界面如图3所示。

图3 KBE系统界面
( N" C; |# [$ V三、结论
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KBE系统的智能行为在很大程度上取决于知识库中的知识和推理方式的优略。本文讨论了摩托车上塑料产品注射模具的设计，并利用所提出的知识模式和逻辑推理方法，在UG-MoldWizard平台上开发出了可行的注射模具设计KBE系统，不但可以为缺乏经验的模具设计者提供专家的指导，还可以使相关的塑料产品设计效率大大提高。实践表明，利用基于UG-MoldWizard平台的摩托车塑件产品KBE系统进行相关设计，不同的产品设计周期可以缩短到原来的五分之一。KBE在模具工业以及整个制造行业具有广阔的应用前景。